國(guó)內(nèi)燃料電池電堆技術(shù)進(jìn)展綜述

許德超 趙子亮 趙洪輝 盛夏 金守一

（中國(guó)第一汽車股份有限公司 新能源開發(fā)院，長(zhǎng)春 130011）

主題詞：燃料電池電堆 雙極板 催化劑 膜電極 燃料電池汽車

1 前言

質(zhì)子交換膜燃料電池具有能量轉(zhuǎn)化效率高、功率密度高、噪音低以及零排放等優(yōu)點(diǎn)，受到各國(guó)政府和研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，未來(lái)預(yù)計(jì)可應(yīng)用于汽車、飛機(jī)、列車等交通工具以及固定電站等諸多領(lǐng)域。當(dāng)前，全球變暖和空氣污染等因素不斷壓縮化石能源的使用空間；另一方面，擺脫對(duì)石油等不可再生能源的依賴已成為未來(lái)可持續(xù)發(fā)展的重要命題。因此，對(duì)風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能等多種清潔能源的發(fā)展和利用能力越發(fā)關(guān)鍵。而氫能恰恰可以成為促進(jìn)清潔能源利用的一種最佳媒介，其通過(guò)電能與化學(xué)能的轉(zhuǎn)變，可以實(shí)現(xiàn)分布式制取，儲(chǔ)運(yùn)，利用等多種途徑。而燃料電池汽車不同于純電動(dòng)汽車的是，它實(shí)現(xiàn)了上游發(fā)電和終端用電在時(shí)間上的“分離”，進(jìn)而使得氫能相比于波動(dòng)性較大的風(fēng)能和太陽(yáng)能（純電動(dòng)車技術(shù)路線）的互補(bǔ)能力更強(qiáng)。因此，發(fā)展氫能和氫燃料電池具有巨大的能源戰(zhàn)略意義[1]。

當(dāng)前，氫燃料電池汽車已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)導(dǎo)入期，以日本豐田Mirai、本田Clarity和韓國(guó)現(xiàn)代Nexo為代表的燃料電池汽車已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，其在車輛性能和續(xù)航里程等方面已經(jīng)可以媲美傳統(tǒng)燃油車水平。乘用車用燃料電池電堆功率級(jí)別一般在100 kW左右，而商用車用燃料電池電堆功率級(jí)別則通常在30～200 kW范圍內(nèi)[2]。

受技術(shù)儲(chǔ)備、基礎(chǔ)設(shè)施及綜合成本等多種因素的影響，近年來(lái)，我國(guó)燃料電池商用車實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，發(fā)展速度明顯快于燃料電池乘用車。經(jīng)過(guò)十幾年的研發(fā)投入，我國(guó)燃料電池技術(shù)趨于成熟，以福田歐輝、鄭州宇通、佛山飛馳等為代表的燃料電池客車正逐步開始市場(chǎng)化進(jìn)程，燃料電池物流車目前也已具備商業(yè)化發(fā)展條件。根據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，截至2018年12月，我國(guó)燃料電池汽車銷售量已達(dá)到1 527輛[10]。

2019年9月26～28日，第4屆國(guó)際氫能與燃料電池汽車大會(huì)在江蘇如皋舉辦。國(guó)際氫能與燃料電池汽車大會(huì)是國(guó)際一流的年度行業(yè)盛會(huì)，由國(guó)際氫能燃料電池協(xié)會(huì)(籌)和中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)共同主辦，聚集全世界氫能與燃料電池技術(shù)的開發(fā)者、燃料電池汽車制造商、氫能燃料電池領(lǐng)域投資者和政府政策的制定者，攜手促進(jìn)氫能及燃料電池汽車的商業(yè)化發(fā)展。

本次大會(huì)為期3天，1場(chǎng)全體大會(huì)、6場(chǎng)主題分會(huì)、5場(chǎng)邊會(huì)，100余場(chǎng)主題演講與分享，內(nèi)容涵蓋國(guó)內(nèi)外氫燃料電池汽車及氫能燃料電池的政策、標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況、最新氫氣規(guī)劃發(fā)展及制取/儲(chǔ)存/運(yùn)輸技術(shù)、氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等熱門話題，定位于加強(qiáng)跨氫能與燃料電池整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的全球合作，更好地為氫能燃料電池的發(fā)展提供對(duì)接全球的資本和市場(chǎng)平臺(tái)。筆者結(jié)合本次氫能與燃料電池汽車大會(huì)中涉及到電堆的技術(shù)報(bào)告和展覽與目前行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)國(guó)內(nèi)燃料電池電堆、雙極板、膜電極等核心技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)進(jìn)行梳理。

2 國(guó)內(nèi)電堆企業(yè)技術(shù)進(jìn)展

氫燃料電池堆是整個(gè)燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的核心部分。其性能和成本直接決定了燃料電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。評(píng)價(jià)氫燃料電池電堆性能的指標(biāo)主要包括其耐久性、啟動(dòng)溫度以及比功率，其中比功率是近兩年國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)重點(diǎn)攻克的方向之一。目前，國(guó)內(nèi)電堆企業(yè)正在迅速崛起，無(wú)論是從膜電極、雙極板等核心零部件技術(shù)突破方面還是從整堆功率等級(jí)，以及功率密度方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。下面筆者將對(duì)新源動(dòng)力、捷氫科技、神力科技、國(guó)鴻氫能、中氫科技、明天氫能、江蘇清能、弗爾賽、南通百應(yīng)、上海氫晨等國(guó)內(nèi)主要車用電堆企業(yè)的技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行梳理。

2.1 新源動(dòng)力

新源動(dòng)力股份有限公司成立于2001年，是中國(guó)第一家致力于燃料電池產(chǎn)業(yè)化的股份制企業(yè)。2018年通過(guò)IATF 16949質(zhì)量管理體系認(rèn)證，掌握了燃料電池電堆及零部件正向開發(fā)、批量制造工藝的核心技術(shù)?，F(xiàn)有電堆產(chǎn)品型號(hào)有HYSTK-30、HYSTK-40和HYSTK-70，分別對(duì)應(yīng)于額定功率為25 kW、35 kW和70 kW的燃料電池電堆產(chǎn)品。圖1中HYSTK-70為公司研發(fā)的第3代車用質(zhì)子交換膜燃料電池電堆，采用金屬雙極板，峰值功率為85 kW，工作電壓范圍為230～370 V，其空氣側(cè)最高工作壓力為250 kPa，工作溫度范圍為-30～87℃，防護(hù)等級(jí)為IP67，抗震性能滿足SAEJ2380-2009標(biāo)準(zhǔn)要求，絕緣性能≥2 MΩ，可以實(shí)現(xiàn)-40℃儲(chǔ)存和低溫-30℃啟動(dòng)。在陰極無(wú)外增濕的操作條件下,穩(wěn)定輸出功率達(dá)70 kW,電堆功率密度達(dá)到3.4 kW/L[3]。

圖1 新源動(dòng)力HYSTK-70電堆[3]

2.2 捷氫科技

上海捷氫科技有限公司成立于2018年6月，主要從事燃料電池電堆、系統(tǒng)及儲(chǔ)氫系統(tǒng)的研發(fā)，捷氫科技是上汽集團(tuán)進(jìn)一步完善新能源產(chǎn)業(yè)鏈的一個(gè)關(guān)鍵布局。公司目前已完成PROME P240、PROME P260和PROME P390三款燃料電池系統(tǒng)的研發(fā)，其中P240產(chǎn)品應(yīng)用在大通FCV80輕客，系統(tǒng)功率為40 kW；P260產(chǎn)品應(yīng)用于申沃燃料電池客車上，系統(tǒng)功率為66 kW；公司已掌握系統(tǒng)及對(duì)應(yīng)的自主電堆核心技術(shù)。目前，圖2中P390系統(tǒng)已完成開發(fā)并交付整車，其電堆功率115 kW、功率密度3.1 kW/L、低溫冷啟動(dòng)溫度-30℃，關(guān)鍵性能指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，與豐田等國(guó)際一流燃料電池車企的技術(shù)指標(biāo)接近[4]。

圖2 捷氫科技P390燃料電池電堆系統(tǒng)[4]

2.3 神力科技

神力科技成立于1998年6月，是我國(guó)第一家氫燃料電池電堆高新技術(shù)企業(yè)。2015年神力科技成為北京億華通科技股份有限公司的控股子公司。其研發(fā)生產(chǎn)的電堆產(chǎn)品主要應(yīng)用于商用車，如圖3所示。體積功率密度達(dá)到2.2 kW/L。其中SFC-MD系列燃料電池模塊的額定功率可以達(dá)到47 kW，工作溫度范圍-30～75℃。而SFC-HD系列大功率燃料電池模塊的額定功率可以達(dá)到76 kW,工作溫度范圍-30～85℃，可實(shí)現(xiàn)-20℃低溫啟動(dòng)[5]。

圖3 神力科技電堆產(chǎn)品[5]

2.4 國(guó)鴻氫能

廣東國(guó)鴻氫能科技有限公司成立于2015年6月。在2016年7月，與加拿大巴拉德公司簽訂了戰(zhàn)略合作協(xié)議，成立國(guó)鴻巴拉德合資公司，負(fù)責(zé)巴拉德FCvelocity-9SSL電堆的生產(chǎn)和組裝。其電堆產(chǎn)品使用巴拉德膜電極產(chǎn)品，額定功率最高為30 kW。具有良好的單電池一致性，工作壽命超過(guò)12 000 h。該公司的電堆產(chǎn)能為20 000臺(tái)/年[6]。

2.5 明天氫能

安徽明天氫能科技股份有限公司成立于2017年8月，依托中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所數(shù)十年的技術(shù)積淀，成功開發(fā)出商業(yè)化的金屬雙極板燃料電池電堆。其體積功率密度達(dá)到3.0 kW/L，接近3.1 kW/L的國(guó)際先進(jìn)水平，電堆功率范圍覆蓋20～100 kW。目前30 kW、40 kW、50 kW、60 kW電堆已通過(guò)國(guó)家認(rèn)證，74 kW電堆已在2019世界制造業(yè)大會(huì)上公開亮相，如圖4所示。其工作溫度為-30～80℃，空氣側(cè)最高工作壓力為250 kPa[7]。

圖4 明天氫能電堆產(chǎn)品[7]

2.6 中氫科技

中氫科技，中國(guó)能源工程集團(tuán)氫動(dòng)力有限公司由中國(guó)能源工程集團(tuán)有限公司聯(lián)合北京航天動(dòng)力研究所、清華大學(xué)核能與新能源研究院于2018年注冊(cè)成立，業(yè)務(wù)板塊主要以氫燃料電池、系統(tǒng)集成方面的合作為基礎(chǔ)，推動(dòng)氫燃料電池在車輛、無(wú)人機(jī)等各領(lǐng)域的應(yīng)用。該公司現(xiàn)有50 kW/60 kW金屬板液冷電堆，體積功率密度可達(dá)4.0 kW/L,質(zhì)量功率密度為3.0 kW/kg，工作溫度要求低于90℃[8]。

2.7 空間電源所

上海空間電源研究所隸屬于中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司第八研究院，自2001年起開展燃料電池研究。現(xiàn)有電堆產(chǎn)品型號(hào)包括MFCS-18、MFCS-36、MF?CS-60、MFCS-90和MFCS-120，分別對(duì)應(yīng)額定功率為18 kW、36 kW、60 kW、90 kW和120 kW。皆為金屬雙極板電堆，體積功率密度≥3.0 kW/L，額定效率≥55%，最大空氣側(cè)進(jìn)氣壓力可達(dá)300 kPa，使用壽命≥5 000 h，防護(hù)等級(jí)為IP67，抗震性能好，通過(guò)150 000 km強(qiáng)化測(cè)試，滿足SAEJ2380-2009標(biāo)準(zhǔn)要求[8]。

2.8 南通百應(yīng)

南通百應(yīng)能源有限公司創(chuàng)立于2011年，是一家專業(yè)從事氫燃料電池的研發(fā)與生產(chǎn)企業(yè)，掌握了從膜電極生產(chǎn)、電堆組裝、系統(tǒng)集成到整車裝配的全產(chǎn)業(yè)鏈核心技術(shù)。南通百應(yīng)現(xiàn)已研發(fā)出410 cm2的超大膜電極產(chǎn)品和對(duì)應(yīng)的60 kW氫燃料電池電堆產(chǎn)品。該電堆產(chǎn)品使用石墨雙極板，效率大于55%，峰值功率為68 kW。此外，該公司還有活性面積為250 cm2的金屬雙極板電堆產(chǎn)品和活性面積為320 cm2的石墨雙極板電堆。其中金屬板電堆，空氣側(cè)最高工作進(jìn)氣壓力為185 kPa，最大功率可以達(dá)到50 kW；而石墨雙極板電堆空氣側(cè)最高工作壓力為170 kPa，最大功率可以達(dá)到60 kW[8]。

2.9 弗爾賽

弗爾賽能源科技股份有限公司成立于2009年，目前公司已形成車用燃料電池和固定電源系統(tǒng)兩大產(chǎn)品開發(fā)平臺(tái)，燃料電池模塊、車用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、固定式燃料電池電源三大產(chǎn)品系列，其電堆產(chǎn)品采用超薄石墨雙極板技術(shù)，體積功率密度可達(dá)2.5 kW/L。電堆產(chǎn)品覆蓋3～80 kW，其中80 kW電堆如圖5所示，其額定功率為82 kW，峰值功率86 kW，可實(shí)現(xiàn)-30℃低溫啟動(dòng)[8]。

圖5 弗爾賽80k W燃料電池電堆模組[8]

2.10 江蘇清能

江蘇清能是一家質(zhì)子交換膜燃料電池電堆及系統(tǒng)供應(yīng)商，是國(guó)內(nèi)唯一一家批量出口燃料電池產(chǎn)品的企業(yè)。母公司清能燃料電池集團(tuán)已潛心從事燃料電池核心技術(shù)開發(fā)和商業(yè)化16年。今年成功開發(fā)出商用車用95 kW燃料電池系統(tǒng)，電堆功率達(dá)到120 kW，系統(tǒng)95%以上零部件均已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化[8]。

2.11 上海氫晨

上海氫晨新能源科技有限公司，成立于2017年12月。公司核心團(tuán)隊(duì)與核心技術(shù)源自上海交通大學(xué)，經(jīng)過(guò)近10年的持續(xù)研發(fā)，已累計(jì)開發(fā)出50 kW、80 kW和100 kW級(jí)（圖6）3代具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的車用燃料電池電堆，體積功率密度達(dá)到3.3 kW/L[9]。

圖6 氫晨新能源100 kW級(jí)燃料電池電堆[9]

此外，國(guó)家電投集團(tuán)氫能科技發(fā)展有限公司，東方電氣（成都）氫燃料電池有限公司等企業(yè)也都紛紛加大投入力度進(jìn)行自主燃料電池電堆的研發(fā)和生產(chǎn)。

可以看出，我國(guó)燃料電池電堆行業(yè)正大踏步向前發(fā)展，新的技術(shù)突破和產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。這一方面，體現(xiàn)出我國(guó)電堆產(chǎn)業(yè)正處于一個(gè)加速飛躍期，技術(shù)水平和資本投入齊頭并進(jìn)；另一方面，也引發(fā)了對(duì)膜電極、雙極板等零部件核心技術(shù)國(guó)產(chǎn)化水平進(jìn)一步提升的迫切需求。

表1 國(guó)內(nèi)部分電堆廠家技術(shù)水平對(duì)比

表1列出了國(guó)內(nèi)部分電堆廠家現(xiàn)有電堆產(chǎn)品已經(jīng)公開的主要技術(shù)參數(shù)，包括功率等級(jí)、功率密度、冷啟動(dòng)溫度以及壽命。并與氫燃料電池汽車技術(shù)路線圖中規(guī)劃的2020年目標(biāo)值進(jìn)行了對(duì)比。可以看出，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)電堆性能水平基本達(dá)成了路線圖的規(guī)劃值，美中不足的是對(duì)壽命的關(guān)注和測(cè)試尚不夠充分，僅新源動(dòng)力一家完成測(cè)試并達(dá)成了5 000 h。

3 國(guó)內(nèi)膜電極技術(shù)進(jìn)展

燃料電池膜電極（MEA）是燃料電池電堆的核心零部件，是燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，其性能直接決定著燃料電池的發(fā)電能力及壽命。MEA通常由質(zhì)子交換膜、陰-陽(yáng)極催化層、陰-陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層等5層組成。為了便于膜電極在電堆中密封，有時(shí)也會(huì)在膜電極非活性區(qū)域加入2層保護(hù)層，稱為7層MEA。

近年來(lái)，我國(guó)質(zhì)子交換膜技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速。在技術(shù)研發(fā)方面，大連化學(xué)物理研究所和武漢理工大學(xué)都在積極研發(fā)復(fù)合膜技術(shù)。在產(chǎn)業(yè)化方面，亞洲最大的氟化工企業(yè)山東東岳聯(lián)合上海交通大學(xué)實(shí)現(xiàn)了復(fù)合膜的產(chǎn)業(yè)化。近年來(lái)開發(fā)的DF260膜性能出色，具備規(guī)?；a(chǎn)能力，其采用的ePTFE增強(qiáng)復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，厚度達(dá)到15μm，在開路電壓（OCV）情況下耐久性大于600 h；膜運(yùn)行時(shí)間達(dá)到6 000 h；在干濕循環(huán)和機(jī)械穩(wěn)定性方面，循環(huán)次數(shù)超過(guò)20 000次。該膜技術(shù)已經(jīng)成熟并已定型量產(chǎn)，第2代規(guī)劃產(chǎn)能200 000 m2。但總體而言，國(guó)內(nèi)質(zhì)子交換膜的開發(fā)大多還是處于實(shí)驗(yàn)室階段，商業(yè)產(chǎn)品與美國(guó)戈?duì)栍邢薰緸榇韲?guó)際一流產(chǎn)品在綜合性能上還存在一定差距[10]。

在催化劑方面，國(guó)內(nèi)目前依然處于實(shí)驗(yàn)室研制及開發(fā)階段，還未形成有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品，大部分產(chǎn)品需求依賴進(jìn)口。選擇合適的技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)小批量試制向大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)化是當(dāng)前面臨的主要問(wèn)題[11]。

在氣體擴(kuò)散層方面，國(guó)內(nèi)尚處于小規(guī)模生產(chǎn)階段。上海河森公司生產(chǎn)的質(zhì)子交換膜燃料電池專用高性能氣體擴(kuò)散層，具備1 000 m2/月的生產(chǎn)能力。目前國(guó)內(nèi)開發(fā)的氣體擴(kuò)散層，其原材料多為進(jìn)口。國(guó)內(nèi)雖有自主開發(fā)的材料，但整體的產(chǎn)品狀態(tài)并不能達(dá)到商業(yè)化要求。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，氣體擴(kuò)散層作為膜電極關(guān)鍵組成材料之一，其國(guó)產(chǎn)化的突破與量產(chǎn)，對(duì)降低中國(guó)燃料電池成本與推廣應(yīng)用具有重要意義。

過(guò)去數(shù)十年里，MEA技術(shù)已經(jīng)取得巨大突破。貴金屬用量已從20世紀(jì)80年代的8 mg/cm2下降到如今的0.102 mg/cm2，同時(shí)，MEA性能和壽命還有了很大程度的提升[5]。目前，國(guó)際上MEA技術(shù)研究的重點(diǎn)仍然集中在性能、壽命以及成本上。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)燃料電池MEA的開發(fā)也取得了較大進(jìn)展。中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、武漢理工大學(xué)等在國(guó)家“863”項(xiàng)目的支持下進(jìn)行了低成本、高性能MEA研究，國(guó)內(nèi)MEA技術(shù)可實(shí)現(xiàn)Pt載量0.3 mg/cm2，功率密度1 400 mW/cm2，單電池MEA壽命超過(guò)5 600 h，與國(guó)際先進(jìn)水平相當(dāng)[12]。

膜電極作為核心技術(shù)，國(guó)家長(zhǎng)期支持該技術(shù)的研發(fā)并制訂了明確的研發(fā)目標(biāo)。根據(jù)《國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“可再生能源與氫能技術(shù)”等重點(diǎn)專項(xiàng)2019年度項(xiàng)目申報(bào)指南》，到2023年底，國(guó)家在膜電極領(lǐng)域的技術(shù)目標(biāo)為：電流密度達(dá)到2 A/cm2@0.62 V，0.3 A/cm2@0.8 V，鉑載量要低于0.4 mg/cm2，抗反極時(shí)間大于100 min，200次反極試驗(yàn)后性能衰減小于5%，壽命大于20 000 h，產(chǎn)能大于每年200 000 m2[13]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)膜電極生產(chǎn)廠家總數(shù)已經(jīng)超過(guò)15家，主要有大連新源動(dòng)力股份有限公司、武漢理工氫電科技有限公司、蘇州擎動(dòng)動(dòng)力科技有限公司、東方電氣（成都）氫燃料電池科技有限公司、還有上海唐鋒、鴻基創(chuàng)能等，其中鴻基創(chuàng)能一家產(chǎn)能達(dá)到300 000 m2，總產(chǎn)能超過(guò)360 000 m2，已經(jīng)能夠滿足當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)化需求，下一步重點(diǎn)應(yīng)放在進(jìn)一步提升性能、壽命和降低成本方面[12]。筆者整理了國(guó)內(nèi)膜電極生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)能布局與技術(shù)現(xiàn)狀，如表2所示。

表2 國(guó)內(nèi)膜電極生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)能布局及技術(shù)水平對(duì)比

從表2中可以看出，目前國(guó)內(nèi)膜電極技術(shù)功率密度可以達(dá)到1.2 W/cm2，鉑載量可降至0.3 g/kW以下。已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)了我國(guó)氫燃料電池汽車技術(shù)路線圖中規(guī)劃的2020年目標(biāo)值：功率密度為1.0 W/cm2，鉑載量為0.3 g/kW。

4 國(guó)內(nèi)雙極板技術(shù)進(jìn)展

雙極板是燃料電池中的重要部件，一般具有復(fù)雜的微細(xì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，發(fā)揮分配水氣、支撐其他部件、收集電流等功能，其質(zhì)量直接影響電堆的輸出功率和使用壽命。根據(jù)美國(guó)能源部2017年發(fā)布的燃料電池系統(tǒng)成本報(bào)告估計(jì)，在燃料電池系統(tǒng)年產(chǎn)量在1 000臺(tái)的情況下，雙極板成本占整個(gè)系統(tǒng)成本的18%;但是隨著系統(tǒng)年產(chǎn)量增至500 000臺(tái)，由于其他零部件的批量成本下降較多，金屬雙極板成本所占比例將激增至28%。因此，實(shí)現(xiàn)雙極板的大批量低成本制造對(duì)降低燃料電池汽車成本、推進(jìn)燃料電池汽車商業(yè)化具有重要意義[10]。

然而，雙極板工作時(shí)所處的環(huán)境十分復(fù)雜，需要克服pH值2～3的強(qiáng)酸性和潮濕環(huán)境，另外較高的運(yùn)行溫度(65～90℃)無(wú)疑會(huì)加速它的老化[14]。石墨具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和抗腐蝕能力，因而是制造雙極板的理想材料，但天然石墨疏松多孔，并且脆性較大，所以石墨通常被壓制成幾毫米的厚板來(lái)抵抗機(jī)械破壞和提高致密性，這必然會(huì)大幅提高制造成本和增加整個(gè)電池組件的質(zhì)量[15]。

金屬基材雙極板相比石墨雙極板具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）金屬具有良好的延展性，可采用高精度塑性成形工藝來(lái)制備具有復(fù)雜微流道特征的雙極板，具有高效、高一致性等優(yōu)點(diǎn)。

（2）金屬?gòu)?qiáng)度一般比石墨高，因此極板厚度可以大大降低（目前主流極板大多采用0.05～0.2 mm厚金屬板），相比1～2 mm厚的石墨雙極板可大幅降低電堆的體積和重量，功率密度指標(biāo)優(yōu)勢(shì)突出。

（3）金屬的韌性較好、不易斷裂，因此金屬雙極板特別適于工作在高振動(dòng)的復(fù)雜動(dòng)態(tài)工況。

此外，金屬的高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱特性也使其成為雙極板的優(yōu)良材料。但是金屬雙極板也存在問(wèn)題，比較突出的是其耐腐蝕性較差，因此需要對(duì)金屬雙極板表面進(jìn)行改性處理，以保證其壽命。綜合來(lái)看，金屬雙極板已成為燃料電池汽車電堆材料的不二之選[10]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)金屬雙極板技術(shù)取得顯著性進(jìn)展。在極板設(shè)計(jì)方面，在市場(chǎng)和政策的牽引下，上汽集團(tuán)聯(lián)合新源動(dòng)力、上海交大等開發(fā)了100 kW級(jí)300型電堆的金屬極板；新源動(dòng)力聯(lián)合上海治臻開發(fā)了極板，電堆功率達(dá)80 kW以上，功率密度達(dá)2.85 kW/L(含端板);另外，武漢理工大學(xué)與上海治臻聯(lián)合開發(fā)的金屬極板，其電堆功率密度也達(dá)到2.7 kW/L。此外，大連化物所、航天811所等單位也開發(fā)了多型號(hào)金屬極板并進(jìn)行了電堆試制，積累了大量實(shí)際經(jīng)驗(yàn)；但目前國(guó)內(nèi)金屬極板的流道構(gòu)型還主要以二維流場(chǎng)為主。在一致性精密制造方面，國(guó)內(nèi)技術(shù)逐漸達(dá)到較高的水平，在高精度成形、焊接熱變形控制等方面達(dá)到甚至代表了國(guó)際上的一流水平，國(guó)內(nèi)有代表性的單位有上海交大/上海治臻團(tuán)隊(duì)、武漢理工大學(xué)、大連化物所等。在耐久性方面，近年來(lái)，上海交大、大連理工、常州翊邁等研究單位開發(fā)了石墨基、鈦鉻基等多種復(fù)合涂層，并在平衡涂層性能與成本方面做了許多努力，極板性能持續(xù)提升。目前上汽集團(tuán)、新源動(dòng)力與上海治臻聯(lián)合開發(fā)金屬極板量產(chǎn)涂層技術(shù)，按乘用車工況經(jīng)過(guò)5 010 h的測(cè)試，滿足5 000 h的壽命要求，基本達(dá)到了國(guó)際一流水準(zhǔn)。上海治臻還建立了國(guó)內(nèi)首條金屬雙極板連續(xù)生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為500 000件/年。目前其量產(chǎn)金屬雙極板產(chǎn)品在精度、壽命、一致性上都達(dá)到上汽集團(tuán)量產(chǎn)技術(shù)要求。但是極板成本距離美國(guó)能源部制定的3美元/kW的指標(biāo)仍然有距離[8]。

表3 國(guó)內(nèi)雙極板技術(shù)水平與目標(biāo)對(duì)比

表3列出了我國(guó)目前金屬雙極板當(dāng)前技術(shù)現(xiàn)狀與氫燃料電池汽車技術(shù)路線圖中規(guī)劃的2020年目標(biāo)值和美國(guó)DOE目標(biāo)值進(jìn)行了對(duì)比?？梢钥闯?，國(guó)內(nèi)部分廠家研發(fā)的金屬雙極板已經(jīng)超過(guò)了美國(guó)DOE規(guī)定的目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

近兩年來(lái)，我國(guó)燃料電池行業(yè)發(fā)展迅速，從質(zhì)子交換膜、膜電極、雙極板等核心技術(shù)投入和研發(fā)到燃料電池整堆技術(shù)的開發(fā)與生產(chǎn)都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。本文詳細(xì)梳理了國(guó)內(nèi)燃料電池相關(guān)團(tuán)隊(duì)和企業(yè)最近技術(shù)進(jìn)展。可以看出，當(dāng)前國(guó)內(nèi)燃料電池電堆行業(yè)呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢(shì)：

（1）高功率密度、大功率車用電堆國(guó)產(chǎn)化加速，捷氫科技、新源動(dòng)力、明天氫能等企業(yè)紛紛推出60 kW以上車用電堆產(chǎn)品并逐步投入應(yīng)用；

（2）膜電極和金屬雙極板性能和可靠性大幅度提升；

（3）國(guó)內(nèi)質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層等基礎(chǔ)材料技術(shù)尚未形成有效突破，未來(lái)還需繼續(xù)發(fā)力。